Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
ТЕМА 7 ООПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕГРЕГАЦИЯ КАК ФАКТОР, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ СУДЬБУ ЗАРОДЫША НА РАННИХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ 1. Понятие ооплазматической сегрегации и ее роль в формировании общего плана строения организма. 2. Биологическая функция дробления. Точка перехода на средней бластуле и гипотеза истощения репрессора. 3. Особенности клеточного цикла в период дробления. Роль MPF- фактора и циклинов. 1. Понятие ооплазматической сегрегации и ее роль в формировании общего плана строения организма Ооплазматическая сегрегация – это формирование региональных (полярных) особенностей цитоплазмы ооцита, которые на химическом уровне предопределяют план строения будущего организма. При ооплазматической сегрегации происходит образование следующих полярных градиентов распределения биологически активных веществ и морфогенов: анимально-вегетативного и дорсо-вентрального. Градиент биологически активных веществ проявляется в постепенном снижении концентрации РНК и белков и активности их синтеза в направлении от одного полюса к другому (анимального к вегетативному, дорсального к вентральному). Формирование градиентов происходит на самых ранних этапах онтогенеза вследствие функционирования гена Oscar. Гетерогенизация цитоплазмы ооцита в результате ооплазматической сегрегации обусловлено неравным положением полюсов ооцита по отношению к окружающим его трофическим клеткам в материнском организме. Анимальный полюс всегда окружен большим количеством трофических клеток, снабжающих данный полюс через специальные канальцы различными веществами (РНК, белками). В формировании анимального-вегетативного градиента важную роль играют следующие гены: bicoid, nanos, pumilio, hunchback. В формировании дорсо-вентрального градиента важную роль играют гены: torpedo, pipe, spatzle, toll, cactus, dorsal. В результате ооплазматической сегрегации при последующем дроблении ооцита происходит неравномерное распределение биологически активных Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 44 веществ, содержащихся в цитоплазме яйцеклетки, по бластомерам. При этом разные сорта цитоплазмы попадают в клетки, которые дают начало разным зачаткам (например, наиболее богатые желтком вегетативные участки яйца попадают при дроблении в бластомеры, которые дают начало эндодерме). Особое значение для судьбы развивающегося зародыша имеет распределение при дроблении в бластомеры цитоплазматических инструктивных молекул (морфогенов), которые активируют специфические программы развития. 2. Биологическая функция дробления. Точка перехода на средней бластуле и гипотеза истощения репрессора Дробление представляет собой серию последовательных делений яйца, в результате которых одноклеточная зигота превращается в многоклеточный зародыш. Функции дробления: 1) становление многоклеточности организма; 2) восстановление характерного для соматических клеток соотношения объемов ядра и цитоплазмы; 3) распределение цитоплазматических детерминант по бластомерам; 4) детерминация осей симметрии зародыша; 5) функция биологических часов, определяющих время экспрессии тех или иных событий. В результате дробления яйцо делится на клетки – бластомеры. Дробление завершается формированием бластулы, морфологически недифференцированного многоклеточного зародыша, имеющего внутреннюю полость. Типы дробления. Тип дробления зависит от концентрации желтка, положения ядра в яйцеклетки и оси веретена деления, пространственной координации процессов кариокинеза и цитокинеза. Дробление бывает полным (голобластическим), неполным (меробластическим) и поверхностным (абластическим). Полным называется дробление, при котором яйцо делится на бластомеры целиком. При неполном дроблении деления затрагивают только часть яйца, тогда как другая часть, обычно с высокой концентрацией желтка, не делится. При поверхностном типе деление яйцеклетки ограничивается лишь кариокинезом (делениями ядер). При равномерном дроблении образуются бластомеры примерно равных размеров. При неравномерном дроблении образуются бластомеры различные по величине. По характеру пространственного положения бластомеров, которое они Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 45 занимают в развивающемся зародыше, различают несколько типов дробления: радиальное, спиральное, билатеральное, ротационное и неупорядоченное дробление. Радиальное дробление имеет радиальную ось симметрии, при которой плоскость, проведенная через любой меридиан, делит зародыш на две геометрически тождественные половины. Спиральное дробление. В результате первых двух взаимно перпендикулярных меридианальных делений образуется стадия четырех бластомеров. Начиная с третьего деления дробления, митотические веретена располагаются под некоторым углом к меридианальной плоскости. Билатеральный тип дробления. Характерной особенностью этого типа является раннее проявление билатеральной симметрии. Ротационный тип дробления характерен для млекопитающих. При данном тип дробления бластомеры при втором дроблении делятся во взаимно перпендикулярных плоскостях. Точка перехода на стадии средней бластулы. При исследовании ряда физиологических и биохимических свойств зародышей позвоночных, в частности амфибий, оказалось, что многие параметры развития существенно изменяются на стадии средней бластулы. Наступление точки перехода на стадии средней бластулы у низших позвоночных животных определяется ядерно-цитоплазматическим отношением (соотношением количества ДНК и цитоплазмы). Высказано предположение, что в яйце имеется равномерно распределенный цитоплазматический компонент, который является ингибитором ключевых реакций, необходимых для активации таких разнородных функций, как синтез РНК, клеточное движение и событий клеточного цикла, и вместе с тем имеющий сродство к ДНК. Согласно этой гипотезе (гипотеза «истощения» репрессора) каждое ядро связывает определенное количество ингибитора и образующиеся в ходе дробления новые ядра как бы «титруют» цитоплазму. При увеличении концентрации ДНК в зародыше, обусловленном отсутствием компенсаторного роста бластомеров, происходит падение концентрации ингибитора до некоего порогового значения, достижение которого и приводит к точке перехода. 3. Особенности клеточного цикла в период дробления. Роль MPF- фактора и циклинов Дробление оплодотворенного яйца представляет собой палинтомический процесс, для которого характерен непрерывный ряд клеточных делений, Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 46 следующих один за другим без компенсаторного роста клетки. Клеточные циклы в период дробления характеризуются высокой скоростью прохождения, быстротечностью, предопределяющей высокую частоту клеточных делений. У обычных соматических клеток, сохранивших способность к пролиферации, наблюдается монотомия, при которой после митотического деления наступает период роста клетки, а следующее деление возможно лишь при достижении клеток определенных размеров. Клеточный цикл монотомического типа характеризуется тем, что фаза синтеза ДНК и фаза митотического деления разделены во времени фазами G1 (пресинтетическая фаза) и G2 (премитотическая фаза), в течение которых происходит рост клетки, а также подготовка к репликации ДНК и митозу. При делениях дробления синтез ДНК одного цикла, как правило, начинается уже в телофазе предыдущего деления, так что фаза M и фаза S перекрываются. Благодаря палинтомии происходит постоянное уменьшение массы отдельных клеток в ходе дробления. Отсутствие компенсаторного роста ведет к восстановлению обычного для соматических клеток ядерно- цитоплазматического отношения. Быстрый синтез ДНК при дроблении возможен благодаря тому, что нить ДНК в хромосоме эукариот подразделена на большое число относительно автономных единиц репликации – репликонов. В период дробления наблюдается высокая степень синхронности репликации всех репликонов. По завершении периода дробления организация процесса репликации становится такой же, как в случае соматических клеток. Следует отметить, что факторы, инициирующие и контролирующие циклический процесс клеточной репродукции, имеют цитоплазматическую локализацию. Темп клеточных делений у одного вида можно изменить, инъецируя цитоплазму другого вида. MPF (maturation promoting factor), сложный фосфопротеин, состоящий из двух субъединиц. MPF выполняет функцию не только при мейозе, но имеет более широкое значение как фактор регуляции митотических клеточных циклов. Было установлено, что активность MPF изменяется циклически: она достигает максимальных значений в митозе и существенно падает в фазе синтеза ДНК. Изучение структуры MPF показало, что малая субъединица комплекса представляет собой протеинкиназу. Наличие этой протеинкиназы обеспечивает фосфорилирование ряда белков. В частности, гистона H1, фосфорилирование которого приводит к конденсации хромосом, а гиперфосфорилирование белков ядерной оболочки (ламинов) служит предпосылкой разборки этой оболочки. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 47 Протеинкиназа MPF обладает высокой степенью консервативности. Большая субъединица MPF представляет собой белок 56 кДа. Этот белок был назван циклином, поскольку его взаимодействие с протеинкиназой периодически меняется в ходе клеточного цикла. Оказалось, что активность взаимодействия между малой и большой субъединицами MPF фактора начинает расти в S (синтетической) фазе клеточного цикла, достигает максимума в начале митоза, но на границе метафазы и анафазы клеточного цикла резко падает из-за быстрой деградации белка циклина. Распад циклина ведет к инактивации малой субъединицы MPF. После инактивации протеинкиназы (малой субъединицы MPF) прекращается фосфорилирование гистона H1, ламинов и других белков- мишеней, а это, в свою очередь, вызывает завершение митоза и переход в интерфазу. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 48 ТЕМА 8 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ РАННЕГО РАЗВИТИЯ ДРОЗОФИЛЫ. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭМБРИОНА 1. Жизненный цикл дрозофилы. 2. Формирование передне-задней оси зародыша дрозофилы. Градиенты белков Bicoid и Nanos, гены терминальных структур. 3. Формирование дорсо-вентральной оси зародыша дрозофилы. 1. Жизненный цикл дрозофилы Дрозофила имеет голометаболический жизненный цикл (полный метаморфоз) − три отдельных стадии постэмбрионального развития, отличающиеся строением тела: личинка, куколка и имаго. В ходе эмбриогенеза образуются структуры, необходимые для функционирования организма в течение этих фаз и перехода между ними. В результате эмбриогенеза формируется личинка мухи. Личинка содержит имагинальные диски – группы клеток, из которых затем образуются структуры имаго. На стадии куколки ткани личинки разрушаются, и из имагинальных дисков образуются ткани взрослого организма. Эмбриогенез дрозофилы уникален среди других модельных организмов тем, что дробление у нее неполное. В результате дробления образуется синтиций. Синтиций представляет собой неразделенную цитоплазму, в которой содержится около 5000 ядер, мигрирующих и располагающихся у поверхности ооцита. Впоследствии происходит целлюляризация – образование индивидуальных цитоплазматических мембран вокруг ядер, при этом обособляются клетки, окружающие желточный мешок. Первыми на заднем конце эмбриона отделяются полярные клетки (первичные половые клетки). Как и у других трехслойных многоклеточных, гаструляция у дрозодилы приводит к образованию трех зародышевых листков – эндодермы, мезодермы и эктодермы. Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 49 2. Формирование передне-задней оси зародыша дрозофилы. Градиенты белков Bicoid и Nanos, гены терминальных структур Яйцо, зародыш, личинка, имаго дрозофилы характеризуются переднезадней полярностью. Ооцит развивается так, что один его конец (будущий передний) непосредственно соединяется с цитоплазмой фолликулярных питающих клеток, которые снабжают яйцо белками, рибосомами и мРНК. На противоложном конце ооцита накапливается полярная плазма, дающая начало первичным половым клеткам взрослого насекомого. У зародыша, личинки и взрослого насекомого различают головной и хвостовой отделы, между которыми располагаются повторяющиеся единицы – сегменты. Три сегмента образуют грудь, а оставшиеся – брюшко. Становление продольной полярности зародыша определяется 3 группами генов: генов переднего организующего центра, генов заднего организующего центра и генов терминальных структур. В яйце дрозофилы имеются передний и задний организующие центры, которые формируют два градиента морфогенов (мРНК, белки) в передней и задней частях зародыша. Каждый из градиентов определяет формирование специфических структур, а их взаимодействие обуславливает морфогенез центральных сегментов зародыша. Белковый продукт гена bicoid является морфогеном, контролирующим формирование передних структур зародыша. мРНК данного гена локализована лишь в передней части ооцита. Во время ранних делений дробления при трансляции мРНК белковый продукт гена bicoid формирует градиент с наибольшей концентрацией в передней части яйца и фоновой концентрацией в его задней трети. Данный белок связывается с ядрами синтиция в передней части зародыша. Кроме того, имеются два гена, белковые продукты которых ответственны за стабилизацию данного морфогена в передней части яйца. Белок Bicoid содержится в ядрах и содержит гомеодомен, который позволяет данному белку связываться с ДНК и регулировать экспрессию генов. Самыми ранними генами, активирующимися в зиготе, являются гены gap-семейства. У мутантов по одному из этих генов отсутствуют ротовые части и структуры груди. Белок Bicoid активирует экспрессию генов группы hunchback, продукты которых, в свою очередь, репрессируют (подавляют) экспрессию генов, активных в брюшных сегментах, что приводит к формированию структур тела, характерных для головных сегментов. Средние концентрации белка Bicoid необходимы для формирования грудных структур, а высокие концентрации данного белка необходимы для формирования головных структур, вследствие низкого сродства промоторов генов gap-семейства, экспрессирующихся в Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 50 головных структурах, к белку Bicoid. Задний организующий центр формируется благодаря экспрессии семи генов с материнским эффектом, отсутствие которых у матери приводит к отсутствию брюшка у зародышей. Важную роль в заднем организующем центре играют белковые продукты гена nanos. Белок Nanos подавляет трансляцию мРНК гена hunchback. Гены терминальных структур. Зародыш дрозофилы характеризуется наличием несегментированных переднего (акрон) и заднего (тельсон) участков тела. Гены терминальных структур определяют границы между сегментированными и несегментированными участками тела. При отсутствии данных генов сегментация распространяется на несегментированные придатки. Наиболее важным геном данной группы является ген torso. При отсутствии белкового продукта данного гена зародыш оказывается полностью сегментированным. Белок данного гена синтезируется вдоль всего зародыша, но активен лишь на полюсах, вследствие активации белкового продукта данного гена на полюсах фолликулярными клетками. 3. Формирование дорсо-вентральной оси зародыша дрозофилы Более 10 генов материнского эффекта участвуют в спецификации дорсовентральной оси зародыша дрозофилы. Это протяженный во времени процесс, который начинается в период оогенеза и завершается уже после оплодотворения на стадии формирования бластодермы (в течение 14-го клеточного цикла). Во время оогенеза в цистоцитах экспрессируется ген dorsal, и соответствующая иРНК равномерно распределяется по ооциту. Примерно через 1,5 часа после оплодотворения синтезируется белок Dorsal, который является транскрипционным фактором, необходимым для спецификации вентральных структур зародыша, в частности, мезодермы и нейральной эктодермы. Первоначально белок Dorsal равномерно распределен по зародышу и находится в инактивированном состоянии, поскольку он связан с белком Cactus. Активация транскрипционного фактора Dorsal происходит лишь в вентральной области зародыша, где инактивирующий белок Cactus фосфорилируется, после чего комплекс Dorsal/Cactus диссоциирует, и белок Dorsal приобретает возможность выполнять функцию транскрипционного фактора. Асимметричная активация транскрипционного фактора Dorsal достигается довольно сложным путем, требующим значительного времени. Прежде всего, по мере формирования ооцита его ядро перемещается в передне- Молекулярные основы онтогенеза Полесский государственный университет Страница 51 дорсальном направлении. Поэтому транскрипты гена gurken и соответствующие продукты трансляции (белок Gurken из семейства эпидермальных факторов роста), асимметрично концентрируются у одной будущей спинной стороны. После выведения лиганда Gurken во внешнюю среду он взаимодействует с рецепторами фолликулярного эпителия, представленными белком Torpedo. Активация этих рецепторов ведет к подавлению экспрессии гена pipe в клетках фолликулярного эпителия, соседствующих с будущей дорсальной стороной яйца. В результате этого белок Pipe образуется только на противоположной вентральной стороне. Наличие белкового фактора Pipe является одной из предпосылок запуска каскада сериновых протеаз в перивителлиновом пространстве яйца. Этот каскад представлен белками Gastrulation defective, Snake, Easter и др. В результате активности протеаз, в конце концов, в перивителлиновом пространстве образуется активный лиганд Spätzle. Взаимодействие последнего с рецептором Toll на стадии формирования бластодермы ведет к образованию в клетках презумптивной вентральной области протеинкиназы Pelle. Эта протеиназа обеспечивает фосфорилирование белка Cactus и диссоциацию комплекса Cactus/Dorsal с высвобождением транскрипционного фактора Dorsal. Последний поступает в ядра вентральной стороны зародыша и активирует гены, экспрессия которых необходима для спецификации нейрогенной эктодермы (rhomboid) и мезодермы (twist, snail). Одновременно блокируются гены, направляющие спецификацию дорсальной эктодермы (tolloid, decapentaplegic) и эктодермы амниона - серозы (zerknült). |